一种无线环境参数检测系统的设计

周林树

（福建宁德技师学院，福建 宁德 352100）

随着现代化通信和传感技术的逐步成熟与完善，环境参数监测系统已成为当今种植业、养殖业等产业的一个研究热点[1-2]。采用单片机控制温度、湿度和光照强度，不仅具有控制方便，结构简单，灵活性大的优点，而且可以大大提高温度、湿度和光强度控制的技术指标，从而大大提高产品质量和数量[3-4]。传统的方法是靠人工测试和读取，并判断温度和湿度是否偏离正常值，然后采取相应的调整措施，消耗了大量的人力和物力。随着国民经济的快速发展，农业产业规模不断扩大，温室种植的农产品种类日益增多。对于很多温室来说，传统的温度控制措施已经显示出很大的局限性[5-6]。微控制器和各种传感器检测技术的发展，解决了环境参数检测和传输过程出现的难题。本文使用单片机作为控制核心对环境参数检测系统展开应用研究，对环境的温度、湿度及光照度进行实时监控，以促进生产，带来效益。

1 系统的组成及硬件电路设计

环境参数检测系统的整体设计，本系统包括传感器测量单元、显示单元、继电器控制单元及处理器单元等，针对各单元的设计方案进行选择，最后确定本设计为最终方案。硬件电路的设计，包括单片机最小系统电路、传感器测量单元、键盘和液晶显示电路的工作原理和电路设计。

1.1 单片机最小系统电路

采用STC89C52 单片机构成的最小系统见第64页图1。

1.2 测量系统的数据采集单元

一个温湿电阻式元件和一个连接到高性能8 位微控制器的NTC 温度测量元件构成了带有校准数字输出的DHT11 温湿度传感器，它具有超快的响应，强大的抗干扰性和高可靠性等优点。通过单元机可直接读取温湿度数据，该传感器与单片机通信的接口方式见第64 页图2。

1.3 光照度传感器

采用BH1750 光照传感器来检测环境光照度参数。通过I2C 的通信方式可直接输出数字信号，见第 64 页图 3。

1.4 无线通信单元

nRF24L01 是一种单片射频无线收发器。nRF24L01 适合在2.4～2.5 GHz 的频段工作，其内部由晶体振荡器模块、功率放大器模块、调制器模块、频率合成器模块以及其他功能模块组成，且用于平均功率的配置和通信通道。最大传输速率为2Mb/s，传输工作电流为9mA，接收工作电流为12.3mA，用于低功耗和待机两种操作模式。nRF24L01 与单片机的通信接口方式见第64 页图4。

2 系统软件程序设计

系统主程序工作流程如下。发送端：系统通电工作时要先进行内部的初始化，温度和照度由发送器测量，在周围的环境里DHT11 采集到温湿度与光照度后，将测量数据发送到MCU STC89C52 进行处理，再将处理后的数据在1602 显示屏中显示出来。之后通过nRF24L01 无线模块将数据发送到接收侧。

图1 STC89C52 单片机控制系统电路图

图2 DHT11 温湿度传感器接口电路图

图3 BH1750 光照传感器接口电路图

图4 nRF24L01 无线模块接口电路图

接收端：系统初始化后再对发送端传送过来的数据进行处理和储存，最后控制液晶1602 显示瞬时温湿度与光照度。在数据传输时，先将nRF24L01配置为发送模式，再定时通过SPI 端口将接收的TX_ADDR 节点的地址和实际的TX_PLD 数据写入nRF24L01。数据传输成功时，如果片选端CE 的电平为低电平，则nRF24L01 进入待机模式1；如果数据堆栈未知则CE 为高电平，则进入待机模式2。接收数据状态，nRF24L01 调整到接收模式，然后延迟130 μs 以接收状态来等待数据访问。当接收方检测到有效地址和CRC 时，将数据包保存到RIF FIFO，并将RX_DR 位中断标志置为高，降低IRQ，产生中断，并通知MCU 接收数据。如果此时启用自动响应，则接收机同时输入返回信号，该返回信号返回传输状态。当数据接收成功时，如果CE 降低，nRF24L01 将进入备用模式1。在写寄存器之前一定要进入待机模式或掉电模式。相应的状态和数据信息是从MISO 输出给MCU。与SPI 相关的控制指令共有8 个，当需要使用时，这些控制指令由nRF24L01 的MOSI 输入。该系统发送端和接收端的无线通信程序流程见第65 页图5。

3 数据采集与实验分析

3.1 温湿度采集

在不同环境下对温湿度进行多次测量，如同栋实验楼不一样的房间，在室内和室外进行采集，测量端和接收端的数据见第65 页表1。

3.2 光照度采集

在不同的环境下对光照度进行多次测量，在同一层楼不同测试点的室内 (灯下) 和室外进行采集，测量端的数据第65 页见表2。

综合以上的数据分析，测量端与接收端有一些数据上的误差，在温湿度的采集中，除了DHT11温度传感器和液晶显示器自身带有一定的延时之外，误差比较大的原因在于传输的过程中，nRF24L01 无线模块在长距离过程中可能会造成数据丢失。

图5 无线通信程序流程图

表1 不同环境下测量端温度和相对湿度数据

表2 不同环境下测量端光照度数据 （lx）